準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引的制造方法
【專利摘要】一種準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，涉及無齒輪曳引機【技術領域】，包括機座、轉軸、外轉子、內定子、曳引輪和制動器，外轉子包括磁體安裝架和永磁體，磁體安裝架安裝在轉軸上，永磁體按準Halbach陣列圍繞設在內定子外周、內定子與外殼體之間，并與磁體安裝架固定連接；準Halbach永磁體陣列由底面為n條邊的正多邊形棱柱狀永磁體固定在外轉子的永磁體安裝架上形成，其中n為大于3的整數。加工難度低，磁體的一致性高。具有氣隙磁場諧波分量下降，磁場分布更接近于理想正弦，磁體截面邊長減小，轉子的厚度尺寸大幅減少，在保證強度的情況下，轉子的轉動慣量減少，曳引機整體重量下降，可以提高控制的精度等優點。
【專利說明】準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機
【技術領域】
[0001]本發明涉及無齒輪曳引機【技術領域】，詳細講是一種結構簡單，工藝性好，加工方便，永磁材料利用率高，傳動效率高，噪音更小，運行平穩，易于控制，成本低廉的準Halbach陣列永磁同步無齒輪曳引機。
【背景技術】
[0002]曳弓丨機是電梯的核心執行部件，它的性能直接影響電梯運行的舒適性、安全性和節能效果。曳引機的發展歷史總體上來講，經歷了有齒式到無齒式的發展過程。在20世紀初，美國0TIS公司發明了摩擦曳引驅動的曳引機，這種曳引機體積小且通用性強，因此，成為了當時被廣泛應用的曳引機形式。此后出現了直齒圓柱齒輪傳動方式和蝸輪蝸桿傳動方式，由于蝸輪蝸桿傳動方式的顯著優點，使其成為當時有齒輪電梯曳引機的主流形式。到了70年代，開始出現斜齒輪傳動的曳引機，具有高效率、高精度的優點。在20世紀90年代，出現了新式的行星傳動曳引機。隨著科技的進步，電梯對曳引機的性能提出了體積小、效率高、低速大轉矩等更高的要求，使得傳統蝸輪蝸桿傳動的曳引機已經逐漸暴露出劣勢。
[0003]自1996年芬蘭Κ0ΝΕ電梯公司發布了首款基于永磁同步電機的無機房電梯系統以來，無齒輪永磁同步電梯曳引機備受矚目，在電梯行業得到廣泛應用，知名曳引機制造廠商陸續推出各具特色的永磁同步無齒輪曳引機。與傳統曳引機相比，永磁同步無齒輪曳引機具有以下優點:
(1)采用小機房(或無機房)設計方案，提高了建筑物的利用率；
(2)由于采用永磁同步電機直接驅動，曳引機傳動效率可以提高20%-30%；
(3)噪聲顯著降低，可減小噪聲10分貝以上；
(4)降低維護費用和難度。
[0004]目前，無齒輪永磁同步電梯曳引機已經在大部分垂直升降電梯中廣泛應用，同時，自動扶梯曳引機也已經開始向無齒輪永磁同步曳引機方向發展。
[0005]現有的外轉子式永磁同步無齒輪曳引機包括機座、轉軸、外轉子、內定子、曳引輪和制動器。機座的結構是設有截面呈]形外殼體，外殼體中部設有向機座內凸起的轉軸安裝套，轉軸經軸承安裝在轉軸安裝套內，轉軸安裝套與外殼體圍成環形定子安裝室，定子安裝室內的轉軸安裝套上設有內定子。外轉子包括磁體安裝架和永磁體，磁體安裝架安裝在轉軸上，永磁體設在內定子與外殼體之間并與磁體安裝架固定連接，由于曳引機需要低轉速、大扭矩的特性，其轉子上的永磁體一般形成5-15個極對；曳引輪設在磁體安裝架一側上。
[0006]如國家知識產權局2008年9月10日公開了一件申請號為:200810027443.4、名稱為:一種外轉子式永磁同步無齒輪曳引機即為上述結構。
[0007]Halbach陣列的概念是由K.Halbach于1980年提出的，最初主要應用于高能物理領域，由于其獨特的性能，逐漸被引入到電機應用中并展示出極大的優勢:
1)氣隙磁場呈理想正弦分布。這可以降低定子鐵芯的損耗，適用于高速高效場合，同時可以消除轉矩脈動；
2)由于自屏蔽的特點，轉子鐵芯可以省去，降低電機質量；
3)可以采用集中非重疊的定子繞組，實現高轉矩密度、低銅損和高效率；
4)磁體材料利用率高，可以產生很高的磁通密度。
[0008]國家知識產權局2007年10月10日公開了一件申請號為:200710057327.2、名稱為:HALBACH永磁無齒輪電梯曳引機的發明專利，其公開了將Halbach永磁體陣列應用于電梯曳引機的結構。現有的應用Halbach永磁體陣列的電動機中均是將不同充磁方向的圓弧形磁體粘貼固定在轉子表面形成準Halbach陣列,這種結構的準Halbach陣列需要對圓弧形磁體進行至少四個方向的充磁，需要復雜的充磁設備，制造成本高，充磁操作復雜、費時費力，電能利用率低，浪費能源。
[0009]
【發明內容】
[0010]本發明的目的是解決上述現有技術的不足，提供一種所需充磁設備簡單，制造成本低廉，充磁操作簡單，省時省力，節約能源，磁體內磁場分布均勻，強度一致性高，曳引機性能高的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機。
[0011]本發明可以解決上述現有技術的不足，所采用的技術方案是:
一種準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，包括機座、轉軸、夕卜轉子、內定子、曳引輪和制動器，外轉子包括磁體安裝架和永磁體，磁體安裝架安裝在轉軸上，永磁體按準Halbach陣列圍繞設在內定子外周、內定子與外殼體之間，并與磁體安裝架固定連接；其特征在于，準Halbach永磁體陣列由底面為η條邊的正多邊形棱柱狀永磁體固定在外轉子的永磁體安裝架上形成，其中η為大于3的整數。
[0012]本發明中所述的η為偶數。
[0013]本發明中η優選6、8或10。
[0014]本發明中所述的正多邊形棱柱狀永磁體經連接架固定在永磁體安裝架上，所述的連接架為對應圓心角角度為m的弧形，m能整除360,相鄰兩個棱柱狀永磁體的充磁方向成360/n度角、并且沿連接架弧形的周向依次排列在連接架，外轉子的永磁體安裝架上繞內定子一周共安裝360/m個連接架,360/m個連接架上的棱柱狀永磁體整體形成準Halbach陣列。
[0015]所述的連接架由至少兩塊形狀相同、沿軸向平行設置的弧形連接板組成，連接板上沿連接板弧形的周向均布有正η邊形安裝孔，棱柱狀永磁體的兩端分別固定安裝在安裝孔內。一個連接架上的棱柱狀永磁體形成準Halbach永磁體陣列的一個極。
[0016]本發明中所述的機座的結構是:設有截面呈]形的外殼體，外殼體中部設有向機座內凸起的轉軸安裝套，轉軸經軸承安裝在轉軸安裝套內，轉軸安裝套與外殼體圍成一側敞口的環形定子安裝室，轉軸安裝套與截面呈]形外殼體的周向側面間的側壁中部設有向機座內凸起的環形定子座，內定子安裝在環形定子座上，永磁體按Halbach陣列圍繞設在內定子外周、內定子與外殼體的環形側壁之間以及內定子內周、內定子與轉軸安裝套之間，并與磁體安裝架固定連接。
[0017]永磁體在內定子的內外兩側形成雙層的準Halbach永磁體陣列，與同等材料制成的其他類型曳引機相比漏磁少，扭矩大，永磁體材料利用率高。同等材料是指采重量相同的同種材料。對比圖6和7可以看出，在同等材料情況下，本發明所采用的雙層Halbach結構的磁力線在氣隙內部閉合，形成屏蔽的環形氣隙空間，降低了氣隙空間內、外的漏磁，同時氣隙磁密也較單層結構有較大幅度的提高。
[0018]本發明中所述外轉子的磁體安裝架上設有伸入截面呈]形外殼體敞口空間內部的、內定子外周、內定子與外殼體之間的環形外層支撐架，以及內定子內周、內定子與轉軸安裝套之間的環形內層支撐架，永磁體按Halbach陣列設在環形外層支撐架的內周上以及環形內層支撐架外周上
本發明中永磁體采用釹鐵硼材料，磁體安裝架采用鋁合金材料。
[0019]本發明由于采用磁體塊截面是底面為η條邊(η為偶數)的正多邊形棱柱狀永磁體，沿某一對平行對邊中點連線方向充磁即可，因此只需制造一種磁體就可實現準Halbach陣列所需的多種方向，降低加工難度和成本，磁體的一致性可以保證。在降低了加工難度和成本的情況下，這樣的設計可以更好的逼近理想Halbach陣列；在轉子半徑不變的情況下，永磁體截面正多邊形的邊數增加時，組成一個轉子磁極所需的永磁體個數也增加，這使得氣隙磁場諧波分量下降，磁場分布更接近于理想正弦，同時，磁體截面邊長會減小，這樣就會使得轉子的厚度尺寸大幅減少，在保證強度的情況下，轉子的轉動慣量減少，曳引機整體重量下降，可以提高控制的精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的結構示意圖。
[0021]圖2是圖1的左視圖。
[0022]圖3是本發明中永磁體底面為正八邊形時永磁體的雙層排列示意圖。
[0023]圖4是本發明中底面為正八邊形的棱柱狀永磁體與連接架的裝配結構示意圖。
[0024]圖5是圖4的A向結構示意圖。
[0025]圖6和7分別是在同等永磁體材料情況下，單層準Halbach陣列結構與本發明的雙層準Halbach陣列結構氣隙磁密周向分布、磁力線分布圖。
【具體實施方式】
[0026]如圖1所示的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，包括機座15、轉軸4、外轉子、內定子13、曳引輪2和制動器18 ;外轉子包括磁體安裝架1和永磁體，磁體安裝架1安裝在轉軸4上，永磁體按Halbach陣列圍繞設在內定子外周、內定子13與外殼體之間，并與磁體安裝架1固定連接；從圖1中可以看出，所述的機座的結構是:設有截面呈]形的外殼體，外殼體中部設有向機座內凸起的轉軸安裝套8，轉軸4經軸承安裝在轉軸安裝套8內，轉軸安裝套8與外殼體圍成一側敞口的環形定子安裝室，轉軸安裝套與截面呈]形外殼體的周向側面間的側壁中部設有向機座內凸起的環形定子座12，內定子13安裝在環形定子座12上,永磁體16、10按Halbach陣列圍繞設在內定子13外周、內定子與外殼體的環形側壁之間以及內定子內周、內定子與轉軸安裝套之間，并與磁體安裝架1固定連接。永磁體在內定子的內外兩側形成雙層的準Halbach永磁體陣列，與同等材料制成的其他類型曳引機相比漏磁少，扭矩大，永磁體材料利用率高。所述外轉子的磁體安裝架1上設有嵌入截面呈]形外殼體內部的、內定子外周、內定子與外殼體之間的環形外層支撐架17，以及內定子內周、內定子與轉軸安裝套之間的環形內層支撐架9,永磁體16、10按Halbach陣列設在環形外層支撐架17的內周上以及環形內層支撐架9外周上。Halbach永磁體陣列由底面為η條邊的正多邊形棱柱狀永磁體固定在外轉子的永磁體安裝架上形成，其中η為大于3的整數。η為大于3的偶數效果更佳，優選η為6、8或10。所述的正多邊形棱柱狀永磁體經連接架固定在永磁體安裝架上，所述的連接架為對應圓心角角度為m的弧形，m能整除360,相鄰兩個棱柱狀永磁體的充磁方向成360/n度角、并且沿連接架弧形的周向依次排列在連接架，外轉子的永磁體安裝架上繞內定子一周共安裝360/m個連接架，360/m個連接架上的棱柱狀永磁體整體形成準Halbach陣列。本發明中內、外層連接架分別由至少兩塊形狀相同、沿軸向平行設置的弧形連接板11、14組成，連接板11、14上沿連接板弧形的周向均布有正η邊形安裝孔，棱柱狀永磁體的兩端分別固定安裝在安裝孔內。一個連接架上的棱柱狀永磁體形成準Halbach永磁體陣列的一個極，也可以是一個連接架上的棱柱狀永磁體形成準Halbach永磁體陣列的一對極或多對極，便于安裝。圖4、圖5所示的為一個連接架上設有四個底面為正八邊形的棱柱狀永磁體，四個永磁體形成準Halbach永磁體陣列的一個極，需要磁場方向與其相反的另一個連接架配合安裝，組成一對極。
[0027]本發明由于采用磁體塊截面是底面為η條邊的正多邊形棱柱狀永磁體，沿某一對邊中點連線方向充磁即可，因此只需制造一種磁體就可實現準Halbach陣列所需的多種方向，降低加工難度和成本，磁體的一致性可以保證。在降低了加工難度和成本的情況下，這樣的設計可以更好的逼近理想Halbach陣列；在轉子半徑不變的情況下，永磁體截面正多邊形的邊數增加時，組成一個轉子磁極所需的永磁體個數也增加，這使得氣隙磁場諧波分量下降，磁場分布更接近于理想正弦，同時，磁體截面邊長會減小，這樣就會使得轉子的厚度尺寸大幅減少，在保證強度的情況下，轉子的轉動慣量減少，曳引機整體重量下降，可以提高控制的精度。在正多邊形棱柱狀永磁體底面為6或8邊時，其加工的工藝性最好，加工方便，永磁體的充磁夾具結構簡單，充磁設備的制造成本低廉，充磁操作簡單，省時省力，節約能源，充磁后永磁體內磁場分布均勻，強度一致性高，曳引機性能高。
[0028]在圖1中所示的機座、環形定子座和轉軸安裝套為一體鑄件，機座15起到固定內定子、曳引機后蓋6和支撐外轉子的作用，外轉子的磁體安裝架1起到固定曳引輪2、安裝永磁體和保證與軸4可靠固連的作用，兩者是曳引機主要部件，在不同參數的產品中兩者具體尺寸會有所變化。轉軸一側設有與外轉子的磁體安裝架相連的轉子端蓋3，外轉子的磁體安裝架與軸之間為鍵連接，磁體安裝架1軸向的位移由軸肩和轉子端蓋3限制，兩者成為整體；軸4的軸向位移由軸承和擋圈5限制；曳引輪2安裝在磁體安裝架的柱面上，通過螺栓可靠連接；連接架通過螺栓與磁體安裝架相連，所有磁體按照規定的排列方式安裝完畢后，內定子鐵芯與機座之間為螺栓連接。為了防塵，在曳引機后蓋6外的機座上安裝防塵蓋
7。空心軸編碼器內圈安裝在轉軸的末端，外圈與曳引機后蓋6螺栓連接，曳引機后蓋的凹陷部分由防塵蓋7遮蓋，防塵蓋7與機座螺栓連接。制動機構由失電電磁制動器18，抱軸杠桿19和制動蹄20組成。
[0029]以正八面體磁體截面、極對數等于10的轉子為例，分析了轉子氣隙磁場的分布情況，具體情況如圖6和7，可以看出，通過特定方式排列后的磁體呈現出理想Halbach陣列的特性，外部磁場被削弱，內部的磁場被加強，氣隙磁場近似呈正弦分布。通過適當調節氣隙厚度可以改善氣隙磁場的諧波成分。
【權利要求】
1.一種準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，包括機座、轉軸、夕卜轉子、內定子、曳引輪和制動器，外轉子包括磁體安裝架和永磁體，磁體安裝架安裝在轉軸上，永磁體按準Halbach陣列圍繞設在內定子外周、內定子與外殼體之間，并與磁體安裝架固定連接；其特征在于，準Halbach永磁體陣列由底面為η條邊的正多邊形棱柱狀永磁體固定在外轉子的永磁體安裝架上形成，其中η為大于3的整數。
2.根據權利要求1所述的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，其特征在于所述的η為偶數。
3.根據權利要求2所述的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，其特征在于所述的η為6、8或10。
4.根據權利要求1或3所述的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，其特征在于所述的正多邊形棱柱狀永磁體經連接架固定在永磁體安裝架上，所述的連接架為對應圓心角角度為m的弧形，m能整除360,相鄰兩個棱柱狀永磁體的充磁方向成360/n度角、并且沿連接架弧形的周向依次排列在連接架，外轉子的永磁體安裝架上繞內定子一周共安裝360/m個連接架,360/m個連接架上的棱柱狀永磁體整體形成準Halbach陣列。
5.根據權利要求4所述的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，其特征在于所述的連接架由至少兩塊形狀相同、沿軸向平行設置的弧形連接板組成，連接板上沿連接板弧形的周向均布有正η邊形安裝孔，棱柱狀永磁體的兩端分別固定安裝在安裝孔內。
6.根據權利要求5所述的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，其特征在于所述的一個連接架上的棱柱狀永磁體形成準Halbach永磁體陣列的一個極。
7.根據權利要求1或5所述的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，其特征在于所述的機座的結構是:設有截面呈]形的外殼體，外殼體中部設有向機座內凸起的轉軸安裝套，轉軸經軸承安裝在轉軸安裝套內，轉軸安裝套與外殼體圍成一側敞口的環形定子安裝室，轉軸安裝套與截面呈]形外殼體的周向側面間的側壁中部設有向機座內凸起的環形定子座，內定子安裝在環形定子座上，永磁體按Halbach陣列圍繞設在內定子外周、內定子與外殼體的環形側壁之間以及內定子內周、內定子與轉軸安裝套之間，并與磁體安裝架固定連接。
8.根據權利要求1或5所述的準Halbach陣列外轉子式永磁同步無齒輪曳引機，其特征在于所述外轉子的磁體安裝架上設有伸入截面呈]形外殼體敞口空間內部的、內定子外周、內定子與外殼體之間的環形外層支撐架，以及內定子內周、內定子與轉軸安裝套之間的環形內層支撐架，永磁體按Halbach陣列設在環形外層支撐架的內周上以及環形內層支撐架外周上。
【文檔編號】B66B11/04GK103693537SQ201310723202
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】王大方, 楊博文, 周傳煒, 齊驥, 廖江敏 申請人:王大方